近日，大湾区大学物质科学学院奚修安课题组与深圳大学骆静利教授合作，在固体氧化物电解电池（SOEC）钙钛矿阴极材料方面取得新进展。研究团队提出了一种通过B位Ga掺杂调控Sr₂Fe_1.5Mo_0.5O_6-δ (SFM) 材料B-O共价杂化和自旋态的设计策略，有效抑制了Sr偏析并显著提升了CO₂电解性能。相关研究成果以“A Design Paradigm for Sr₂Fe_1.5Mo_0.5O_6-δ Cathodes in SOECs: Tailoring B-O Covalent Hybridization and Spin State Regulations for High Performance CO₂ Electrolysis”为题发表在国际权威期刊Advanced Functional Materials上。

       大湾区大学物质科学学院为第一通讯单位。论文第一作者为大湾区大学-南方科技大学联培研究生席勇；通讯作者为大湾区大学奚修安研究员、深圳大学骆静利教授和大湾区大学-清华大学联培博士后程俊。

       固体氧化物电解池（SOEC）因其高能效和与可再生能源的良好兼容性，被认为是实现碳循环经济和减少温室气体排放的关键技术。然而，阴极的催化活性不足和长期稳定性差是制约SOEC实际应用的主要瓶颈。Sr₂Fe_1.5Mo_0.5O_6-δ（SFM）因其优异的混合离子-电子导电性而备受关注，但其在CO₂电解中的性能受到A位Sr偏析和催化活性不足的限制。因此，开发兼具高活性和高稳定性的新型阴极材料至关重要。

       该研究提出了一种通过B位Ga掺杂调控SFM电子结构与自旋态的设计策略。Ga的引入有效降低了B-O键能，促进了氧空位的形成，同时抑制了高温下Mo的挥发和Sr的偏析。实验与理论计算表明，Ga掺杂增强了Fe-3d与O-2p的轨道杂化，使Fe和O的能带中心向费米能级移动，显著提升了材料的电子和氧离子电导率。更重要的是，⁵⁷Fe Mössbauer谱显示，Ga掺杂将高自旋Fe⁴⁺的比例从15.97%提升至36.57%，优化了Fe e_g轨道的电子占据，接近CO₂还原反应的最佳理论值（≈1.2），从而增强了对CO₂中间体的吸附与活化能力。

       电化学测试表明，采用SFMGa阴极的单电池在800 °C、1.5 V下电流密度达到2.11 A·cm^-2，较未掺杂SFM提升了41%；在0.8 A·cm⁻²下稳定运行超过220小时，表现出优异的长期稳定性。该研究为高性能SOEC阴极材料的理性设计提供了新的范式，即通过B位阳离子掺杂同时调控局域电子构型与自旋态，为开发高效、稳定的钙钛矿阴极材料开辟了新路径。

Ga掺杂优化SFM阴极的Fe-O共价杂化和Fe自旋态提升CO₂电解性能